使用碳化硅MOSFET实现快速直流充电器

世界各国政府都在推动私家车和商用车车主转向更环保的替代品，例如电动汽车 (EV)。但是，进行此更改的最大障碍之一是车辆续航里程问题。大多数中低档 EV 可以在需要充电之前完成数次行程。但是，如果您计划长途旅行，在途中为 EV 充电仍然需要比为内燃机车辆加油更多的时间。

该行业正在努力通过开发可与为内燃机车辆加油相媲美的快速直流充电解决方案来缩短充电时间。与使用家用交流电的 EV 车载充电器 (OBC) 不同，快速直流充电器绕过 OBC，直接向 EV 的电池充电电路提供能量。而且，与交流充电器不同，此类充电器可以在短短 10 分钟内将电动汽车充电至 80% 的电量。

电动汽车快速直流充电器

当前的快速直流充电器提供 35kW 至 50kW 的功率，工作电压高达 800V。最高功率的充电器通常安装在高速公路服务站。您的 EV 能否吸收这样的能量取决于它的设计和电池。当今大多数电动汽车的充电功率都限制在 300kW 以下。

对于如此高功率和电压的应用，存在许多工程挑战。这些范围从安全性和可靠性到可维护性、效率、尺寸和成本——包括运营和采购。迄今为止，设计方法一直依赖于硅 IGBT 和 MOSFET。然而，由于引入了宽带隙半导体，例如 Wolfspeed 的碳化硅，碳化硅 MOSFET 正迅速成为功率开关的首选。

EV 充电器转向碳化硅 MOSFET

快速直流充电器的核心可以分为两个关键块：

AC/DC 级，将输入交流电转换为直流链路电压

为 EV 电池提供直流电的 DC/DC 转换器。

此外，还有支付机制、人机界面和连接元素。此类充电器的功率传输部分由多个模块构成，每个模块通常为总功率提供 15kW 至 50kW 的功率。

图 1：用于 EV 快速直流充电器的电源转换器的简化框图。（来源：Wolfspeed）

尽可能高的效率和功率密度是关键的设计目标，使工程师能够交付更小、更轻的模块，同时散热挑战更少。

采用 Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 的有源前端

对于 AC/DC 级，有源前端 (AFE) 是使用六个开关频率为 20kHz 的硅 IGBT 实现的常见拓扑。这样一个 22kW AFE 级有望实现 97.2% 的可观峰值效率。然而，功率密度约为 3.5kW/L，热设计元件占系统成本的 20%。

这就是设计师转向基于碳化硅的设计的原因。与硅基替代品相比，碳化硅 MOSFET的 R DS(ON)随温度升高而增加的幅度较小。在应用的工作温度下，由于 R DS(ON)低于硅，因此散热较低。Wolfspeed WolfPACK ™电源模块中的 Wolfspeed 1200V CCB021M12FM3 等设备带有 21mΩ 碳化硅 MOSFET，是 AFE 拓扑的绝佳选择。

这种碳化硅 MOSFET 还可以在高达 45kHz 的更高开关速度下运行，与基于 IGBT 的 AFE 相比，可以使用更小的扼流圈。此外，由于由此产生的散热量减少，散热成本仅占系统总成本的 10%。

图 2：具有 Wolfspeed WolfPACK™电源模块的 25kW 双向 AC/DC AFE适用于快速直流充电器设计。（来源：Wolfspeed）

还提供适用于快速直流充电器应用的 25kW AFE 参考设计 CRD25AD12N-FMC。由于使用了 Wolfspeed WolfPACK ™三相配置模块，这种双向设计实现了 98.5% 的峰值效率和 >4.6kW/L 的功率密度。

从硅 MOSFET 到 DC/DC 级碳化硅

碳化硅也在 DC/DC 阶段取代硅。在 DC/DC 谐振 LLC 转换器中工作频率约为 100kHz 的硅基开关可达到 97.5% 的峰值效率和 3.5kW/L 的功率密度。然而，功率要求通常需要交错设计，这会增加组件数量和复杂性。

通过采用分立器件（例如Wolfspeed C3M0032120K）的碳化硅 MOSFET 设计，开关速度可以提高到高达 250kHz。这些四引脚 TO-247-4 封装的碳化硅 MOSFET 还提供开尔文引脚。在硬开关、大电流和高频拓扑中，这有助于减少串扰和开关损耗。因此，与使用三引线碳化硅器件相比，这些损耗最多可降低四倍。谐振 CLLC 参考设计 CRD-22DD12N 在 22kW 双向 DC/DC 转换器的设计中仅使用八个分立式碳化硅 MOSFET。作为快速 EV 充电器设计的一部分，它可以在 8kW/L 的功率密度下实现超过 98.5% 的峰值效率。

图 3：这种双向 DC-DC 参考设计利用了 Wolfspeed 的 C3M0032120K 分立式碳化硅 MOSFET 的性能。（来源：Wolfspeed）

用于快速直流充电器应用的碳化硅

随着未来十年电动汽车用户群的增长，对更快“加油”速度的需求也会增加。Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 等宽带隙材料是解决方案，与依赖硅功率器件技术的等效设计相比，它具有更低的损耗、更少的散热并实现更高的功率密度。

审核编辑：汤梓红